用於測量移動片狀產品中的選擇成分的傳感器和方法

2023-12-06 12:02:46 2

專利名稱：用於測量移動片狀產品中的選擇成分的傳感器和方法
技術領域：
本發明 一般涉及用於測量紙和其他片狀產品中的如溼氣這樣的具體 成分的存在和濃度的高速長壽命傳感器和方法。該技術使用 一種裝置，
這種裝置從特定波長頻帶內的超發光的發光二極體(SLED )或雷射二極 管(LD)把紅外輻射引向移動材料片，並且監測從材料出射的輻射。
背景技術：
紙在連續造紙機上的生產中，紙頁從纖維的水懸浮液(原漿)形成 在行進的篩網造紙織物上，而水靠重力和經織物的吸收排出。然後，紙 頁被輸送到壓榨部分，在那裡更多的水靠壓榨和真空被排出。紙頁接著 進入烘乾機部分，在那裡蒸汽加熱的烘乾機和熱空氣完成烘乾過程。造 紙機本質上是個水排出系統。造紙機的典型形成部分包括循環行進造紙 織物或線。造紙織物或線在一系列水排出構件上方行進，這些構件如輥、 箔、真空箔和吸箱。原漿被運載在造紙織物的上表面上，隨著原漿行進 在接連的脫水構件上方行進被脫水，形成紙張。最後，溼片被傳輸到造 紙機的壓榨部分，在那裡水淨皮排出形成紙張。例如在"Handbook for Pulp & Paper Technologists (紙漿和紙工藝手冊)"第二版，G. A. Smook， 1992年，Angus Wilde出版公司和"Pulp and Paper Manufacture (紙 漿和紙製造)"Vol. Ill (造紙和紙板製造)，R.MacDonald， 1970年版， McGrawHill中，描述了本專業中熟知的造紙設備。例如在授權給He的 美國專利No. 5539634、授權給Hu的美國專利No. 5022966、授權給 Balakrishnan的美國專利No. 4982334、授權給Boissevain等人的美 國專利No. 4786817和授權給Anderson等人的美國專利No. 4767935 中，進一步描述了片狀材製造系統。許多因素影響水以其排出的速率， 這個速率最終影響所造紙的質量。
在現代高速造紙的專業中，眾所周知，連續不斷地測量紙材料的某 些性質以便監測最後產品的質量。這些在線測量通常包括基重、水分含 量和片卡尺即厚度。這些測量能用於在製造過程中控制具有保持產出質 量目的的過程變量，和使由於幹擾必須丟棄的產品數量最小。在線片材 性質測量通常通過掃描傳感器完成。該傳感器周期地從邊緣到邊緣橫過
片狀材料。例如，高速掃描傳感器可以以如20秒那樣短的周期完成一次 掃描，在約IO毫秒間隔從傳感器讀測量。 一系列的固定傳感器也能用於 進行類似在線測量。
傳統的是，在片狀材料離開主烘乾機部分時或者在撿拾滾筒應用掃 描傳感器時測量片狀材料的含水量。這樣的測量可以用於朝著達到要求 參數調整機器的運行。 一個用於測量含水量的技術是利用水在紅外(IR) 範圍的吸收光譜。用於該目的的監測或測量設備普遍在使用中。這樣的 設備傳統上不是使用固定量具就是使用安裝在掃描頭上的量具。按各個 機器需要，安裝在掃描頭上的量具在從烘乾機部分的出口處和/或在進到 撿拾滾筒時橫跨紙頁重複掃描。這些量具一般使用如石英鵠卣素(QTH) 燈這樣的寬帶紅外源和一個或幾個檢測器，檢測器對於由例如幹涉型濾 光器的窄帶濾光器選擇的感興趣波長。所使用的量具分成兩個主要類
型透射型和散射型(一般稱為"反射"型)，在透射型中，源和檢測 器在紙頁的相對側，掃描量具時橫過紙頁鎖定地掃描；在散射型中，源 和檢測器在紙頁的 一側的單個頭中，檢測器響應源輻射從紙頁散射的數量。
雖然在較良好的乾燥端環境中安置IR水分量具是最普遍的，同樣的 量具也應用在造紙機的溼端。溼端水分量具一般放置在壓榨部分的端部 或烘乾機部分的開始端。對於紙機的壓榨和形成部分的診斷或對於為進 入到烘乾機部分而"凝固"紙頁，在這些位置的量具是有用的。
當前的IR溼度傳感器的速度受機械調製源光的要求限制。為了檢測 紙中水分，傳感器一般利用具有在1. 9pm (測量)和1. 8pm (參考)的 波長的光。目前，在這些波長的足夠大功率的可靠和經濟的光源只是用 QTH燈才可實現的，QTH燈用機械方法可調製到高達10000Hz，但實際上 調製在小於lkHz。機械調製限制到這些較低頻率，因為增加調製頻率要 求減少孔徑，因此不是限制功率就是限制調製深度。而且，為獲得可允 許的調製上的顫動所需要的機械公差要求成為不可實現的。這些源也呈 現有限的輸出亮度(每單位立體角每單位面積功率)和一般具有隻幾千 小時的壽命。這些熱光源的有限亮度造成很差的到光纖中的耦合效率， 也限制小抽樣面積的準確測量。迄今，所有已知的用於紙和平片狀產品 的IR溼度傳感器都使用QTH燈作為光源。對於QTH燈使用的實際機械調 制頻率限制傳感器帶寬到約100到500Hz。

發明內容
本發明部分地是以非常高速的小型長壽命傳感器的研製為基礎，這 種傳感器特別適於測量在造紙設備中移動的含紙片狀物中的如溼氣這樣 的成分。該傳感器應用只產生規定的感興趣波長範圍的內的輻射的光 源，利用非機械技術以高的頻率調製該光源。與每個傳感器至少使用兩 個光檢測器的傳統傳感器相比較，本發明傳感器只需要單個檢測器，在 這個檢測器那裡，以不同的頻率調製光譜通道中的每一個，由此保持它 們的信息分離。由於該傳感器不需要在其中具有所有必需波長的光源即 寬帶光源，無需如在傳統溼度傳感器中的帶通濾光片。除了消除對具有 它們自己的單獨濾光片的兩個檢測器的需要，也能消除電子部件中的多 重複。例如，只需要一個互阻抗前置放大器。使用典型傳感器的單個檢 測器和在參考和測量波長通道之間的共用電路也極大地有助於在通道中 的某些噪聲影響的共模抑制。例如，在使用分離的檢測器時，在檢測器 之間的溫差漂移可能產生傳感器誤差，但在只使用一個檢測器部件(和 共用電路)時，該影響的一部分被消除。
在一個實施例中，本發明以一種傳感器為目標，這種傳感器用於測
量合成物中至少一個選擇的成分。這種傳感器包括
至少 一個光源，產生具有所期望波長範圍的光以檢測合成物中 一種 成分，其中至少一個光源配置成把光引向合成物；
用於調製至少一個光源的驅動裝置，但是該驅動裝置不機械調製這 至少一個的光源；以及
用於接收從合成物出射的光的檢測裝置。
在另一個實施例中，本發明以一種設備為目標，這種設備用於測量 合成物中至少一個選擇的成分。這種傳感器包括
至少 一個光源，產生具有所期望波長範圍的光以檢測合成物中 一個 成分，其中至少一個光源配置成把光傳輸到合成物上的多個位置；
用於調製至少一個光源的驅動裝置，但是該驅動裝置不機械調製這 至少一個的光源；以及
用於接收在多個位置從合成物出射的光的檢測裝置。
在再一個實施例中，本發明以一種方法為目標，這種方法用於傳感 合成物中的一種物質。這種方法包括步驟
(a )用包括在至少第一和第二單獨波長範圍中的波長的輻射照射合
成物，其中輻射由非機械地調製的光源提供，在第一波長範圍中的輻射 對合成物中的物質是強烈敏感的，而在第二波長範圍中的輻射對合成物
中的物質是不太敏感的；
(b)檢測在第一和第二單獨的波長範圍中的從合成物出射的輻射數量。
在一個優選實施例中，應用的光源是在其中電調製驅動電流的 SLED。替換地，能應用外部電光或聲光調製器來調製光源。有若干調製 光源的原因(1 )和用於信噪比改善以及消除背景信號的鎖定檢測一起 使用和(2)在使用多於一個的源時，例如通過頻分多路復用，通過調製 在不同頻率的每個通道在源通道之間進行識別。SLED或LD源的高空間 模質量允許有效使用在單模光纖光學器件中的這些類型的調製，在如QTH 燈這樣的低亮度熱源的情況下，這是不可能的，在那裡單模光纖耦合實 際上是不可能的。
SLED源產生比用在傳統溼度傳感器中使用的例如寬度源的熱源在溼 度帶寬中多IOO倍的功率和在溼度帶寬中500000倍亮度。對於本發明傳 感器應用的光源的較高功率和亮度使傳感器允許傳感器可以在在被監測 的例如紙的產品上方非常快地被掃描和可以達到高的空間解析度。與 SLED和LD光源附帶的較高功率和亮度水平有關的另外益處是它們極好 的光纖光發射效率。這些固態源同單模光纖和傳統上在電信工業上使用 的其他部件是可配合的，所以同單模光纖和相關部件一起使用固態光源 的能力提供不能用如QTH燈這樣的熱光源實現的較低成本和較高效率的 傳感器系統。
紅外光譜學是用於含水量測量的優選技術， 一個方法是應用具有在 預定的感興趣吸收和參考波長發射IR輻射的SLED的傳感器。雖然認為 任何高功率、可靠的或穩定的SLED或LD源在1. 9到2. 0Mm輻射範圍當 前是市場上購買不到的，但另一個水敏感吸收峰的確存在在1. 4到1. 5 ym波長範圍。儘管這個吸收峰對水分不太敏感，但有一些在這些波長可 得到的合適的高功率和高速度SLED和可調諧LD光源。能容易地把這些 光源從直流(DC)或連續波(CW)電平調製到高達GHz速率，這個速率 與它們的高功率輸出結合使傳感器能夠是更準確和工作在很高的帶寬。 以這些高得多的速率調製的能力允許鎖定檢測的輸出濾波級中的較好的 噪聲抑制。
對於利用1. 4到1. 5 Mm水吸收頻帶有優於^f吏用1. 9到2. OiLim水吸 收頻帶的另一些優點。這些優點包括較低的光纖內損耗和較高的光電二 極管光檢測器的性能。例如，典型的InGaAs光電二極體的噪聲等效功率 (NEP)在1.5nm波長優於在1.9Mm波長一個數量級。還有，帶有內部 增益的周態檢測器即雪崩光二極體(APD )在1. 5 m m波長是容易獲得的， 但在1.9Mm波長是得不到的。此外，可以應用具有非常高的數值孔徑的 硬包層石英(HCS)多模光纖，它們減少測量的光纖彎曲損耗靈敏度。HCS 光纖也是比較廉價的。另外，本發明光源的增加亮度允許使用不太昂貴 的較小核光纖。在經受小的彎曲時，這些光纖比較大核光纖可靠的多。
SLED或LD光源的典型壽命大約是20年，而QTH燈卻有4000小時 典型壽命。利用本發明，也消除了與QTH燈有關的機械馬達和斬波器，
是，對於這樣系統，單獨的傳:器一i為用於鎖定:'^J電4部件的定相 信號所需要。這允許用遮光器電或機械地關掉光源，以便阻斷來自QTH 燈的光，但電子部件繼續運轉。這個作用為背景光電平讀出所需要或者 使鎖定電子部件以很低的光電平工作。在本發明的SLED或LD源的情況 下，消除了這個額外的部件和有關的複雜性。


圖1和3是本發明的傳感器設備的兩個實施例的示意圖； 圖2說明光頭；
圖4說明結合本發明傳感器的造紙系統； 圖5是水重量對讀數的曲線圖6是對於圖5所示數據的作為積分時間函數的(基重)2cj百分比 誤差；
圖7是水重量對讀數的曲線圖；以及
圖8是對於圖7所示數據的作為積分時間函數的(基重)2cj百分比誤差。
具體實施例方式
本發明涉及一種檢測成分，特別是呈薄膜、頁或薄片狀的材料的性 質的傳感器系統。雖然就測量紙中水分來說明該傳感器，但要理解到， 能應用該傳感器檢測許多不同材料中的各種成分。這些材料包括，例如， 塗層材料、塑料、纖維等等。
圖l是一種高速溼度傳感器的原理圖，它特別適於測量移動的紙張
中的水分。該系統包括(i)測量(或者吸收)波長光源控制器42，它 調製測量(或吸收)光源16並控制其溫度；以及(ii )參考波長光源控 制器40，它調製參考光源14並控制其溫度。這些光源最好具有內置溫度 控制裝置，例如珀爾帖冷卻器。電源41連接到控制器40和42。光源14 和16由單模光纖定向耦合器22耦合到多模漸變折射率光纖23和24。 多模漸變折射率光纖23和24分別連接到多模階躍折射率(step index ) 光纖26和27的遠端，該多模階躍折射率光纖26和27又在其近端連接 到探頭或者光頭28。
被監測的如紙這樣的移動材料片30最好安置在光頭28附近，以致 光31能從光頭28引向片30。 一些反射光33由光頭28收集。光頭28 也連接到多模光纖32，多模光纖32把反射光從光頭28傳遞到最好是PIN InGaAs光電二極體的檢測器34。在這種方式下，多模光纖26提供源光 束，而多模光纖32提供檢測光束。該系統還包括互阻抗前置放大器36、 參考波長鎖定放大器20和測量波長鎖定放大器18。計算機19用來進行 數據信號分析。互阻抗前置放大器36用來把來自PIN光電二極體34的 光感應電流轉換成用於到鎖定放大器18、 20的輸入的電壓信號。在一些 情況下，互阻抗前置放大器可以是鎖定放大器的組成部分。參考波長放 大器20和測量波長鎖定放大器18，通過同時放大調製信號、把其轉換成 比例直流電平信號以及經低通濾波器傳遞結果信號來抑制未調製的背景 噪聲，從背景提取低電平調製信號。該輸出低通濾波器具有最好比調製 頻率的截止頻率至少低2到3倍的截止頻率， 一般是至少比調製頻率低 10倍。低通輸出濾波器和調製頻率之間的頻率差越大，鎖定檢測的噪聲 性能越好。比較起來，在有限的lkHzQTH燈源調製的情況下，鎖定性能 極其受限制，在本發明的情況下就不是這樣，本發明應用SLED或LD源 的高頻調製能力。出自鎖定放大器18、 20的內部振蕩器的波形用作對調 制的光源14、 16的光輸出的用於光源控制器42、 40的參考波形。
從參考光源14和測量光源16的光能夠通過多路復用技術方便地被 管理和經共用光纖23和24傳輸。 一種優選技術是頻分多路復用(FDM)。 合適的多路復用器和去多路復用器能應用在光纖23和24的遠端處和近 端處。為執行FDM，控制器40和42分別以不同頻率調製測量光源14和 參考光源16。執行多路復用的益處在於，由於每個光源以不同頻率被調
制，為檢測兩個波長只需要一個單獨的檢測器34和前置放大器36。
傳感器系統最好應用於通過掃描生產期間移動的紙張上方的設備來 監測紙質量。光頭28會沿相對移動紙張的交叉方向連續前後移動。光頭 38中的部件數目保持到最小，以便包含實質頭部光學元件(head-essential optical element)，這些實質頭部光學元件為光到紙張和 從紙張的傳遞和收集所需要。檢測系統的光源和如信號處理器部件和光 纖耦合器這樣的其他裝置位於較良好環境，這種環境處於遠離通常與紙 張製造過程有關的腐蝕環境的位置。因此，遠距離的處理器隔室離開在 紙張上方前後行進的光頭。光頭的重量優選小於一千克，更優選小於200 克。在這種情況下，光纖23、 24、 26、 27和32可以是同光頭28串聯移 動的電纜巻取機構的一部分。電纜巻取機構的用途是當光頭38在被移動 時操縱光纖以及保留全部彎曲的長度和半徑。
圖1上所說明的傳感器系統是以反射模式工作。在這個模式下，它 測量從在被監測的紙張反射的輻射。替換地，該傳感器系統能夠很容易 地被修改以便測量經紙張30透射的輻射強度。在這個透射模式下，系統 能應用一個檢測器29，這個檢測器安置在紙張30的反面，檢測通過紙張 30的輻射。檢測器29的光學部件系統連接到光纖32。在任一情況下， 通過檢測在測量即吸收時從紙張30出射即反射或者透射的光以及參考頻 帶波長，都能夠確定紙張30中的溼氣數量。
在應用本傳感器系統檢測含水量時， 一個解決方法是，預先確定感 興趣的吸收和反射IR波長以及應用傳感器提供所需波長內的不變的、可 靠的能量流以獲得適當的水重量測量。具體說，水吸收作為波長函數的 跨越紅外光譜的輻射。紙張中的含水量越高，將從紙張出射的在或接近 水吸收峰的輻射越小。 一個水敏感吸收峰存在於1. 9到2. 0 m m輻射範 圍，而另一個水敏感吸收峰存在於大約1.4到1.5ym輻射範圍。
利用吸收和參考IR頻帶波長，該傳感器能同時測量從紙張出射即反 射或透射的輻射。事實上，在吸收IR頻帶波長的吸收測量主要對紙張中 水數量敏感。紙張乾燥時，測量到較多的IR輻射；紙張潮溼時，測量到 較少的紅外輻射。相反地，對於參考測量，輻射處於有較少水分吸收的 IR頻帶波長。在這個頻帶損失的光是由於從紙張中的非與水有關的損 耗。這些損耗主要是由於從紙張中的散射以及紙張的非與水有關的衰減 因素。參考測量校正來自紙張中的非與水有關的損耗。在本系統中，參考波長也能校正與水分無關的其他共用模式光損耗，例如光纖中的彎曲
損耗。這是有可能的，因為測量和參考波長兩者都受光纖定向耦合22之 後的同一光纖彎曲影響。注意到，具有這樣的參考波長是有利的，這個 參考波長接近測量波長而又保留在水吸收頻帶之外。
如圖2所示， 一個合適的光頭28包括同耦合器104和106 —起的一 個主體102，耦合器104和106合併成像透鏡，分別用於連接傳遞源光 束的光纖112和傳遞檢測器光束的光纖114。光頭可以任選地包括保護 它避免環境影響的外殼。從光纖112傳遞的光116從旋轉反射鏡108反 射到在被掃描的材料片上。可以應用適當的聚焦透鏡(未示出)。從片 散射的光從反射鏡110反射到檢測器束光纖114中。可以製作反射鏡108 和110的外形，使得能把光成像到上面，然後從相對在掃描的移動片的 適當取向捕獲。在這種情況下，可以省略聚焦透鏡(未示出)。反射鏡 的反射表面可以包括金、銀、鋁、電介質或其他合適的反射材料層。
如圖1所示，測量和參考光源40、 42各個都提供測量所需要的波長 內的恆定能量流，而且，沒有如斬波器、遮光器、音叉等這樣的裝置也 能幅度調製從各個光源的能量流。這些裝置通過物理中斷從光源的輻射 流來"機械調製"光源。在本發明的情況下，光源易受非機械調製，例 如通過直接調製連接到光源的驅動電流。其他典型調製技術應用如安置 在光源的光束通路中的克爾盒和泡克爾斯盒這樣的電光調製器或者如聲 光可調諧濾光器這樣的聲光器件。這些光纖內型調製器一般用於高速電 信系統中。本發明的光源能有效地耦合到單模光纖中。 一般地，以比1000 Hz高的速率調製該光源，最好以最低5kHz的速率，更最好以到至少20kHz 至lMHz和更高的速率。優選的光源裝置是工作在相對高的功率並具有相 對寬的頻譜寬度的發光二極體，稱為超發光的發光二極體(SLED) 。 SLED 源與傳統LED源區別在於，前者具有極其小的發光區發散產物，即允許 它們有效地發射到單模光纖中的高亮度。具有典型地為20年長壽命的 SLED能直接通過驅動電流以高頻調製。SLED也能用以GHz頻率調製的外 部光纖調製器。
產生0. 7到1. 6 m m波長範圍光的SLED是市場上可購到的，光一般 具有50y m量級的FWHM (半最大值的全寬度)線寬。因為SLED產生極 其高亮度的光，它們一般能傳遞2-45 mW的功率到單模光纖中。關於用 於測量紙中溼度的測量光源，當前可利用的SLED源只工作在較小的敏感1.4到1.5Mm波長頻帶，而不在1.9inm。關於參考光源，可以應用工 作在0.83、 0.93、 1.3或1.55Mm的市場可購SLED。在任一情況下， 無需幹涉濾光片，也就是說，這些傳感器只能利用測量和參考SLED光源 的自然線寬。同應用從寬帶光源的光的現有裝置比較，在這種方式下， 非常多的經光纖傳輸的能量用於檢測。如前述，和1.9到2. OMm水吸 收頻帶相比，存在利用1. 4到1. 5 m m水吸收頻帶有關的另一些優點， 包括改進的性能和較低的成本。另外，能使用數值孔徑HCS多模光纖。
用於本發明傳感器的另一種光源是雷射二極體。為了傳感紙中溼 度，可調諧雷射源是優選的，因為水吸收峰是溫度的函數，當在監測的 紙的溫度波動時，可調諧雷射二極體使傳感器能夠跟隨該吸收峰。例如， 1. 9 m m吸收峰對溫度的靈敏度大約是0. 3nm/lC。已測量到不太敏感的 1. 4 m m吸收峰具有0. 47 nm/1c的較大溫度靈敏度。基於二極體泵送Nd: YAG雷射器泵送和光參數振蕩器(0P0)的在1.9nm波長範圍的固態可 調諧雷射源是市場可購的，然而由於經濟的或環境靈敏度的緣故，這些 類型的源不太是優選的。產生在1. 4到1. 5 m m波長範圍的輻射的可調 諧雷射二極體可從例如New Focus (San Jose，CA)得到。
在作為本發明傳感器中的光源應用時，除了在可調諧的雷射二極體 的情況下應該考慮到溫度有關的波長漂移外，固定的和可調諧的雷射二 極管源呈現許多與SLED源有關的同樣優點。能很容易地使該傳感器最優 化以對在其中工作的環境中的改變的動態特性進行調整。例如，已知對 於紙中水分的吸收或者傳感中心波長典型地是1. 93 ju m，而參考波長在 典型環境條件下典型地是1. 84 ju m，但吸收波長是溫度有關的。
除了測量含水量，還能監測片狀材料的其他物理特性。例如，能檢 測如纖維素這樣的纖維、橡膠漿、例如CaC03和粘土的礦物等等。在每個 情況下，需要選擇適當的輻射範圍，例如測量和參考IR帶寬。在授權給 Chase的美國專利No. 5013403、授權給Chase等人的美國專利 No. 5235192和授權給Belotserkovsky等人的美國專利No. 5795394 中，進一步描述了由紙和包紙產品中不同成分的IR吸收。這些專利在這 裡引入作為參考。
本發明傳感器系統還能用於測量在連續的塑料生產過程中形成的膜 中聚合物。例如，能同用於塑料膜的連續生產的專業中已知的任何適當 設備一起應用傳感器系統。例如，在授權給Kirjavainen的美國專利
No. 6793854、授權給Krycki的美國專利No. 6565343、授權給Hirokawa 等人的美國專利No. 5230923、授權給Reinke等人的的美國專利 No.4797246、和美國專利No. 4311658中，進一步描述了代表性的機器， 這些專利在這裡引入作為參考。本傳感器能按要求安置沿生產線的任何 地方。
本傳感器的優選應用是通過測量形成膜的具體聚合物的濃度(每單 位面積重量， 一般以每平方米克，gsm，為單位來測量)監測膜厚度。在 膜由單層的一種聚合物組成的情況下，放置傳感器引導輻射，例如適當 帶寬的IR輻射，測量該聚合物。在塑料是包含兩種或更多種不同聚合物 的合成物的單層或者塑料是多層膜的情況下，可以應用多個傳感器或者 可以應用具有多路復用配置的傳感器來檢測各種聚合物成分。多層膜一 般包括層疊在一起的多個層。優選的，在多層結構中，相鄰層由不同的 聚合物材料組成。通過應用具有不同物理性質的不同聚合物，多層膜可 以具有不在單層膜出現的物理屬性組合。例如，多層膜可以是耐潮溼的、 耐磨損的，可是仍然是柔韌的。本發明的傳感器在控制多層膜生產保證 膜中每層具有適當厚度或重量(gsm)方面尤其有效，以致多層膜具有適 當的性質組合。
高速溼度傳感器系統也能應用於沿造紙機的橫向方向、機器方向或 這兩個方向測量水分。如上所述，圖1上描繪的光頭28能橫過移動的紙 張掃描。為測量機器方向(MD)上的水分，較可取的是，在不同MD位置， 但在相同的相對造紙機邊緣的橫向方向(CD)位置基本上一前一後地配 置多個傳感器。在這個方式下，產生水分MD分布。如是明顯的，可以應 用一些單獨的傳感器系統，每個具有至少兩個SLED、單獨的產生測量和 參考波長的控制器。
替換地，如圖3上所說明，可以應用這樣的傳感器系統，它只需要 兩個例如SLED的光源和相應的測量和參考波長光源控制器，但具有多個 光頭。如所示，該傳感器系統包括參考波長光源控制器50和測量(或吸 收)波長光源控制器52以及從1到12標記的12個溼度傳感器。如是明 顯的，該傳感器系統可以有或多或少的傳感器。傳感器l包括前置放大 器138、鎖定放大器134和136以及輸入口 139。其它11個傳感器的每 一個都優選有相同的配置。控制器50和52能控制安裝在光纖和光電隔 室54中的兩個相應SLED源51和53的溫度和驅動電流。從兩個SLED(參考和測量)的光由單模光纖定向耦合器55耦合到單模光纖57，該單模光 纖57又被分束器59分束並且連接到12個光輸出口 ，分別如121和132 所示的第一個和最後一個。
在這種方式下，輸出口可以訪問來自參考和測量SLED的光的一部 分。在位於隔室54裡的輸出口中的每一個上都是可同時獲得光的。從每 個輸出口的光都是用於單獨的溼度傳感器或光頭的源束。例如，傳感器 12具有與其相關的輸出口 132和光頭56。光經多模光纖引入線58傳遞 到光頭56。可替換地，能夠用單模光纖代替多模光纖用作這個源引入線 58。利用透鏡和/或反射鏡，光頭56從引入線58把光141成像到紙張 60上。從紙張6 0散射的光143利用另一個透鏡和/或反射鏡捕獲並成像 到接收光纖74中。這個接收的光然後經輸入口 140傳遞到解調電子部 件，該解調電子部件包括如圖所示的傳感器12的具有光電二極體的接收 口和前置放大器以及鎖定放大器。從兩個鎖定放大器的解調輸出然後被 處理，以便獲得如由傳感器12測量的紙張中的水分含量。
本發明傳感器可以用於測量在造紙系統中的含水混合物物(稱為溼 原漿)的物理特性。圖4表示用於生產連續紙材料張94的典型造紙系統， 該系統包括壓頭箱92、蒸汽箱88、壓延棧(calendaring stack) 90、 撿拾滾筒78和包括本發明傳感器的掃描器系統80。在壓頭箱92中布置 傳動裝置控制溼原漿洩放到沿交叉方向支承線或網96上。形成在線96 上部的纖維材料片上被拖拉，在滾94和98之間在機器方向上行進，再 通過壓延棧90。壓延棧90包括控制橫跨紙頁施加的壓榨壓力的傳動裝 置。造紙系統包括一個壓榨部分(未示出)，其中使水機械地從片中排 出，固結紙頁。之後，通過在烘乾機部分(未示出)蒸發來排出水。在 滾筒78上收集最終的紙產品94。實際上，造紙過程的接近壓頭箱部分稱 作"溼端"，而造紙過程的接近撿拾滾筒部分稱作"幹端"。
掃描系統8 0 —般包括多對水平延伸的導軌8 4 ，它們跨越紙產品9 4 的寬度。導軌由直立的支柱82在其相對端支承，並按足以允許紙產品94 在導軌之間行進的間距的距離垂直地間隔開。傳感器固定到滑架86上， 當進行測量時，滑架86在紙產品94上前後移動。在授權給Dahlquist 的美國專利No. 4879471、授權給Dahlquist等人的美國專利No. 5 0945 35 和授權給Dahlquist的美國專利No. 5166748中，披露了用於造紙生產 的在線掃描傳感器系統，所有這些專利在這裡引入作為參考。
如圖3上所說明的傳感器系統特別適用於在造紙過程中在多位置在 機器方向上測量水分含量。例如沿網上方的機器方向能應用該系統的12 個傳感器使造紙機最佳以產生與對於特級紙的"理想的，，分布比較的網 上的紙材料的連續水分分布。根據偏離理想的程度，可以相應地調整溼 端和/或幹端的參數。在授權給Hagart-Alexander的美國專利 No. 6092003中描述了適當的控制過程，這個專利在這裡引入作為參考。 雖然能控制幹端參數，例如加熱裝置的溫度，得到要求的最終產品，但 一般地溼端參數更重要。例如，在授權給MacHattie等人的美國專利 No. 6805899、授權給Heaven等人的美國專利No. 6466839、授權給Hu 等人的美國專利No. 6149770、授權給Hagart-Alexander等人的的美國 專利No. 6092003、授權給Heaven等人的美國專利No. 6080278、授權給 Hu等人的美國專利No. 6059931授權給Hu等人的美國專利No. 6853543 和授權給He的美國專利No. 5892679中，進一步描述了用於造紙機的技 術，這些專利在這裡引入作為參考。
光譜測定掃描系統被進一步描述，例如，授權給Belotservsky等人 的美國專利No. 5795394披露了掃描反射型紅外鍍膜傳感器，授權給 Preston等人的美國專利No. 6404502披露了反射型光澤傳感器，兩個專 利在這裡引入作為參考。在授權給Dahlquist的美國專利No. 4879471、 授權給Dahlquist等人的美國專利No. 5094535和授權給Dahlquist的 美國專利No. 5166748中，披露了用於在造紙生產期間光測量纖維片的幹 組分重量、組分重量和水含量的在線掃描傳感器系統，所有這些專利在 這裡引入作為參考。
利用出自SuperLumDiodes有P艮公司(莫斯科，俄羅斯)的兩個SLED 構制了如圖l和2所示配置的高速溼度測量傳感器。具有分別約1310nm 和5 0訓的標稱中心波長和FWHM (半最大值的全寬度)的SLED用作參考 光源；具有分別約1480nm和50nm的標稱中心波長和FWHM(半最大值的 全寬度)的SLED用作測量參考光源。之所以選擇這些波長是因為高功率 SLED源在這些波長上是市場上可購的，並且方便地在測量SLED的1480nm 標稱中心波長的帶寬內有水吸收峰。出自ILX Lightwave公司 (Bozeman, MT )的兩個型號LCD-3724B雷射二極體控制器用於既控制兩 個SLED的驅動電流又控制兩個SLED的溫度。正弦調製從出自Signal Recovery of Advanced Measurement Technology公司 (Oak Ridge, TN )
的兩個數位訊號處理鎖定放大器中的內部振蕩器經二極體控制器上的外
部調製輸入端施加到每個SLED上。在一個例子中，分別以48kHz和 24. 78kHz調製參考和測量SLED，然而有許多不同的可用調製頻率組合。 利用3dB單模光纖光定向耦合器組合來自兩個SLED的光。定向耦合器的 兩個輸出臂則耦合到多模光纖中。這些源傳遞光纖在光頭處終結，從多 模光纖的輸出光則成像在測試中的紙上。
從紙散射的光的 一部分由透鏡捕獲並耦合到與傳遞光纖相同類型的 多模接收光纖中。要注意到，接收光纖不必是與源光纖相同類型的。從 接收光纖輸出端的光耦合到InGaAs PIN光電二極體(0SI Fibercomm 公司(Hawthorne, CA))上。從光電二極體的輸出然後被饋送到互阻抗 前置放大器，該互阻抗前置放大器的輸出被饋送到鎖定放大器，該鎖定 放大器解調參考和測量信號。從鎖定放大器的兩個電壓經抑制噪聲的低 通電子濾波器饋送到計算機供分析。
為了表示其性能特徵，傳感器用在了一種重複測試中。這種測試是， 當抽樣在烘乾時候測量在不同水分含量的新聞紙抽樣。由於這是動態抽 樣，所以進行了許多次重複測試以便覆蓋從約100gsm水重量(67。y4水分) 到約8gsm水重量(14%水分)的範圍。新聞紙具有49. 05gsm的乾重量含 水量。在環境溫度下進4亍測量，並且利用出自National Instruments (Astin，TX)的LABVIEW軟體用微處理器完成計算。在本發明傳感器的 情況下，非常快的積分時間，例如亞微秒積分時間是有可能的。圖7和8 表示對於具有12500Hz帶寬(80微秒)的傳感器的數據。作為比較，對 於利用用工作在例如640Hz的斬波器機械調製的QTH光源的現有技術傳 感器，最小積分時間約為10毫秒(100Hz)。
在第一組測試中，對傳感器的鎖定時間常數是6W微秒，而參考和 測量調製頻率分別是48kHz和24. 78kHz。數據採集(或採樣)速率是 2kHz，而最小積分時間是500微秒。在這個實驗中，當烘乾紙時，紙的 水含量被測量。在這期間，含水量從100. 65降低到9. 25gsm。圖5表示 作為讀數(與時間相當)函數的8個單獨數據組的水重量讀數(標記A 到H的)。圖6表示作為積分時間函數的2 a重複性結果。從圖6可以看 到，對於1毫秒積分時間，約60%水分抽樣的2cr重複性約為0. 095% (或 0. 12gsm的水重量)。
在第二組測試中，對傳感器的鎖定時間常數是80微秒，而參考和測
量調製頻率分別是219081. 10Hz和175500. OOHz。數據採集速率是 50kHz，而積分時間是25微秒。在這個實驗中，當紙被烘乾從100. 65 到3. 44gsm時，紙的水含量被測量。圖7表示作為讀數(或時間)函數 的7個單獨數據組的水重量讀數(標記A到G的)。圖8表示約1. 2%(對 於約60%水分)的2 (7重複性，而在1毫秒的積分時間我們有約0. 2%的2 CJ重複性(對於約60%水分)。
雖然對於80微秒時間常數的2 (j結果差於640微秒時間常數的結 果，但系統具有8倍高的帶寬，因而能較快地響應水分變化。這意味著 能較快地掃描傳感器。應該從重複性曲線注意到，對數-對數曲線不是線 性的，原因是按著頻分多路復用光源，由於參考和測量源調製頻率的混 合和它們的諧波，電子噪聲自然不再是隨機白噪聲並具有有限的頻譜容 量。
應該注意到，比這些實驗中存在的傳感器帶寬高得多的傳感器帶寬 是有可能的。所應用的帶寬是用於實驗中的個別設備的限制，而不是用 來限制本發明的範圍。
上文描述了本發明的原理、優選實施例和工作模式。然而，本發明 不應該被解釋為受限於所述的一些具體實施例。相反，上述實施例應該 被看作是說明性的，而不是限制性的，而且應該意識到，不偏離如附屬 的權利要求書所限定的本發明範圍，可以由本領域的技術人員做出一些 變更。
權利要求
1.一種用於測量合成物中的至少一個選擇成分的傳感器，它包括至少一個光源，其產生具有所期望波長範圍的光以檢測該合成物中的一種成分，其中該至少一個光源將該光引向該合成物；用於調製該至少一個光源的驅動裝置，但是該驅動裝置不機械調製該至少一個的光源；以及檢測裝置，用於接收從該合成物出射的光。
2. 權利要求l的傳感器，其中至少一個光源包括超發光的發光二極 管或雷射二極體。
3. 權利要求l的傳感器，其中用於調製至少一個光源的驅動裝置直 接調製該至少 一個光源的驅動電流。
4. 權利要求l的傳感器，其中用於調製至少一個光源的驅動裝置使 用一個或多個外部電光調製器。
5. 權利要求l的傳感器，其中用於調製至少一個光源的驅動裝置使 用一個或多個外部聲光調製器。
6. 權利要求l的傳感器，其中用於調製至少一個光源的驅動裝置以 至少5kHz的速率進行調製。
7. 權利要求l的傳感器，其中至少一個光源包括發光器件，其包括 超發光的發光二極體或雷射二極體，該發光器件耦合到光纖以使得從該 發光器件出來的光經過該光纖傳輸。
8. 權利要求7的傳感器，包括耦合到光纖並且將光引向合成物的光 學器件。
9. 權利要求8的傳感器，其中光學器件被配置成接收從合成物出射 的光。
10. 權利要求l的傳感器，其中用於接收光的檢測裝置產生與接收 的光的強度成正比的信號，並且其中該傳感器還包括用於從這些信號過 濾噪聲的裝置。
11. 權利要求10的傳感器，其中用於過濾噪聲的裝置包括鎖定放大 器，其放大調製信號和在用低通濾波器同時抑制噪聲的同時把調製信號 轉換至成比例的直流電平信號。
12. 權利要求ll的傳感器，其中鎖定放大器消除背景噪聲。
13. 權利要求l的傳感器，其中用濾光器過濾光不需要產生具有所期望波長範圍的光。
14. 一種用於測量合成物中的至少一個選擇成分的傳感器，它包括: 第一光源，其產生具有對所述成分敏感的第一波長區域的第一光； 用於調製該第一光源的第一驅動裝置，，但是該第一驅動裝置不機械調製該第一光源；第二光源，其產生具有對所述成分有不同靈敏度的第二波長區域的 第二光；用於調製該第二光源的第二驅動裝置，但是該第二驅動裝置不機械 調製該第二光源。
15. 權利要求14的傳感器，其中用於調製第一光源的第一驅動裝置 以第一頻率調製該第一光源以產生笫一調製光信號，用於調製第二光源 的第二驅動裝置以第二頻率調製該第二光源以產生第二調製光信號，其中第一頻率與第二頻率不同。
16. 權利要求15的傳感器，其中第一調製光信號與第二調製光信號 一起被多路復用以便經過一條光纖傳送。
17. 權利要求16的傳感器，其中頻分多路復用被應用到多路復用的 第一和第二調製光信號。
18. 權利要求15的傳感器，其中用於接收光的檢測裝置包括單個檢 測器和單個前置放大器，該前置放大器檢測具有第一頻率和第二頻率的 光。
19. 權利要求14的傳感器，其中(i )第一光源包括第一發光器件， 其包括超發光的發光二極體或雷射二極體，該第一發光器件耦合到光纖 以使得從該第一發光器件出來的光經過該光纖傳輸；(ii )第二光源包 括第二發光器件，其包括超發光的發光二極體或雷射二極體，該第二發 光器件耦合到光纖以使得從該笫二發光器件出來的光經過該光纖傳輸。
20. —種用於測量合成物中的至少一個選擇成分的設備，它包括 至少 一個光源，其產生具有所期望波長範圍的光以檢測該合成物中的一種成分，其中該至少一個光源被傳遞到該合成物上的多個位置； 用於調製該至少一個光源的驅動裝置，但是該驅動裝置不機械調製該至少一個的光源；以及多個檢測裝置，用於接收從該合成物在多個位置上出射的光。
21. 權利要求20的設備，包括第一光源，其產生具有對所述成分敏感的第一波長區域的第一光； 用於調製該第一光源的第一驅動裝置但是該第一驅動裝置不機械調 制該第一光源；第二光源，其產生具有對所述成分有不同靈敏度的第二波長區域的 第二光；用於調製該第二光源的第二驅動裝置，但是該第二驅動裝置不機械 調製該第二光源。
22. 權利要求21的設備，其中用於調製笫一光源的第一驅動裝置以 第一頻率調製該第一光源以產生笫一調製光信號，用於調製第二光源的第二驅動裝置以第二頻率調製該第二光源以產生第二調製光信號，其中 第一頻率與第二頻率不同。
23. 權利要求22的設備，其中第一調製光信號與第二調製光信號一 起被多路復用以便經過一條光纖傳送。
24. 權利要求23的設備，其中頻分多路復用被應用到多路復用的笫 一和第二調製光信號。
25. —種用於感測合成物中的一種物質的方法，該方法包括步驟(a )使用包括在至少第一和笫二單獨波長區域的波長的輻射來照射 該合成物，其中該輻射由非機械調製的光源提供，其中在第一波長區域 的輻射對該合成物中的物質是強烈敏感的，在第二波長區域的輻射對該 合成物中的物質是不太敏感的；(b )檢測從合成物出射的在第一和第二單獨波長區域中的輻射量。
26. 權利要求25的方法，其中步驟(a)包括用以第一頻率調製的 第一調製光信號和以第二頻率調製的第二調製光信號照射該合成物，該 第二頻率與第一頻率不同。
27. 權利要求26的方法，其中第一調製光信號與第二調製光信號一 起被多路復用以便經過一條光纖傳輸並且和被引向該合成物。
28. 權利要求27的方法，其中頻分多路復用被應用到多路復用的第 一和第二調製光信號。
29. 權利要求25的方法，還包括根據在笫一和第二波長區域的輻射 的檢測數量來計算合成物中的物質的數量。
30. 權利要求25的方法，其中該合成物是包括紙或塑料的平片狀產
31.權利要求25的方法，其中計算紙中水的含量。
全文摘要
一種用於測量如在移動的包括造紙設備中紙的片狀物中水分這樣的成分的長壽命傳感器使用產生規定的感興趣波長範圍內的輻射的光源，並且利用非機械技術以高頻率調製該光源。在保持信息分離的同時具有各種輻射源的單個檢測器能在所有頻率測量。為改進的噪聲抑制能直接電調製超發光的發光二極光或雷射二極體光源。這些較高功率和亮度光源提供極好的光纖光發射效率並允許傳感器以快得多的速率在被監測的紙上方被掃描。
文檔編號G01N21/35GK101208596SQ200680023209
公開日2008年6月25日 申請日期2006年1月12日 優先權日2005年4月28日
發明者F·M·哈蘭, R·E·貝塞爾特 申請人:霍尼韋爾國際公司